· Рентген спектрийн шинжилгээ · Радиоспектроскопи ·
Атомын физик - атомын бүтэц, шинж чанарыг судалдаг физикийн салбар. Атомын физик нь анх үүссэн XIX сүүл- 20-р зууны эхэн үе бол атом нь эерэг цэнэгтэй цөм ба сөрөг цэнэгтэй электронуудын систем болохыг тогтоосон туршилтын үр дүнд атомын бүтцийг тайлбарласан квант механикийг бий болгохтой холбогдуулан боловсруулсан. Атомын цөмийн бүтцийг цөмийн физикт судалдаг.
Ерөнхий мэдээлэл [ | ]
Орчин үеийн атомын физик нь тайлбарласан квант механик онол дээр суурилдаг физик үзэгдлүүдатом-молекулын түвшинд. Атомын физик нь атомыг эерэг цэнэгтэй цөм ба сөрөг цэнэгтэй электронуудын систем гэж үздэг. Энэ системийн шинж чанар ба түүнд тохиолддог энгийн процессууд нь хүчтэй харилцан үйлчлэл, сул харилцан үйлчлэл нь үндсэн үүрэг гүйцэтгэдэг цөмийн физик, бөөмийн физикээс ялгаатай нь цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлээр тодорхойлогддог.
Өгүүллэг [ | ]
Атомын гаригийн загвар
Хамгийн жижиг нь оршин тогтнох тухай санаа хуваагдашгүй хэсгүүд- атомыг анх эртний Грекийн гүн ухаантан Левкипп, Демокрит, Эпикур нар томъёолжээ. 17-р зуунд энэ санаа Францын гүн ухаантан П.Гассенди, Р.Декарт, Английн химич Р.Бойл нарын бүтээлүүдэд үргэлжилсэн. Энэ үеийн атомизм нь атомын талаарх таамаглал нь химийн болон химийн бодис агуулаагүй, янз бүрийн хэмжээ, хэлбэртэй, үл хуваагдашгүй бөөмс мэт байв; физик шинж чанар, бүгд бүрдсэн хослолоос материаллаг биетүүд. И.Ньютон, М.В.Ломоносов нарын бүтээлүүдэд атомуудыг нэгтгэх боломжийн талаар таамаглал дэвшүүлсэн байдаг. нарийн төвөгтэй бүтэц- корпускулууд.
Гол үе шатуудАтомын физикийн түүхэнд 1897 онд Английн физикч Ж.Ж.Томсон электроныг нээсэн ба Францын эрдэмтэн М.Склодовска-Кюри, П.Кюри нар цацраг идэвхт задралыг нээсэн нь атомын систем гэсэн санааг өөрчилсөн юм. Голландын физикч Х.Лоренцын онолын дагуу харилцан үйлчлэх цэнэгтэй бөөмс . Томсон эдгээр судалгаан дээр үндэслэн 1903 онд эерэг цэнэгтэй бөмбөрцөг хэлбэртэй атомын загварыг санал болгож, сөрөг цэнэгтэй жижиг хэсгүүд - электронууд нь атомын татах хүчний тэгш байдлын улмаас атомд хадгалагддаг. электронуудын харилцан түлхэлтийн хүчний эерэг цэнэг. Ф.Соддигийн цаашдын цацраг идэвхт байдлын судалгаа нь изотопуудыг нээж, улмаар устгалд оруулсан. шинжлэх ухааны санаанууднэг химийн элементийн бүх атомуудын үнэмлэхүй ижил төстэй байдлын тухай. Чухал үүрэгА.Г.Столетовын фотоэлектрик эффектийн судалгаа, А.Эйнштейний энэ үзэгдлийн цаашдын тайлбар нь мөн чухал үүрэг гүйцэтгэсэн.
Атомын гаригийн загвар нь хэд хэдэн сул талуудтай байсан бөгөөд тэдгээрийн хамгийн чухал нь онолын хувьд электроны энергийн алдагдалтай холбоотой байв: электрон атомыг тойрон эргэлддэг тул үүнд нөлөөлдөг. төв рүү чиглэсэн хурдатгал, мөн Ларморын томъёоны дагуу хурдатгалтай хөдөлж буй аливаа цэнэглэгдсэн бөөмс энерги ялгаруулдаг. Хэрэв электрон энерги алдвал эцэст нь цөмд унах ёстой бөгөөд энэ нь бодит байдалд тохиолддоггүй. Германы физикч нээсэн атомын тухай цоо шинэ санааны байр сууринаас л атомын загварыг боловсронгуй болгох боломжтой болсон.
Атомын физик атомын бүтэц, төлөв байдлыг судалдаг физикийн салбар. A.f. 19-р зууны сүүл - 20-р зууны эхэн үед үүссэн. 10-аад онд. 20-р зуун Атом нь цөм болон цахилгаан хүчээр холбогдсон электронуудаас бүрддэг болохыг тогтоожээ. Хөгжлийн эхний үе шатанд A. f. мөн атомын цөмийн бүтэцтэй холбоотой асуудлыг хөндсөн. 30-аад онд Энэ нь атомын цөмд болж буй харилцан үйлчлэлийн шинж чанар нь атомын гаднах бүрхүүлээс өөр бөгөөд 40-өөд онд болсон. цөмийн физик нь бие даасан шинжлэх ухааны салбар болсон. 50-иад онд физик нь үүнээс үүссэн энгийн бөөмс, эсвэл өндөр энергийн физик. Атомын физикийн өмнөх түүх: 17-19-р зууны атомын тухай сургаал.Атомууд нь материйн хуваагдашгүй бөөмс хэлбэрээр оршин тогтнох тухай санаа эртний үед үүссэн; Атомизмын үзэл санааг анх илэрхийлсэн эртний Грекийн сэтгэгчидДемокрит ба Эпикур. 17-р зуунд тэдгээрийг Францын гүн ухаантан П.Гассенди, Английн химич Р.Бойл нар сэргээсэн. 17-18-р зуунд ноёрхож байсан атомын талаархи санаанууд нь муу тодорхойлогддог. Атомыг туйлын хуваагдашгүй, өөрчлөгддөггүй хатуу бөөмс гэж үздэг байсан бөгөөд тэдгээрийн төрөл нь бие биенээсээ хэмжээ, хэлбэрээрээ ялгаатай байдаг. Нэг эсвэл өөр дарааллаар атомуудын нэгдэл нь янз бүрийн биеийг бүрдүүлдэг атомын хөдөлгөөн нь матерт тохиолддог бүх үзэгдлийг тодорхойлдог. И.Ньютон, М.В.Ломоносов болон бусад зарим эрдэмтэд атомууд хоорондоо илүү төвөгтэй бөөмс болох "корпускул" болж наалддаг гэж үздэг. Гэсэн хэдий ч тодорхой химийн болон физик шинж чанаруудыг атомуудад хамааруулаагүй. Атомизм нь хийсвэр, натурал-философийн шинж чанартай хэвээр байв. 18-р зууны төгсгөл - 19-р зууны эхэн үе. Хими эрчимтэй хөгжсөний үр дүнд тоон хөгжлийн үндэс бий болсон атомын сургаал. Английн эрдэмтэн Ж.Дальтон анх удаа (1803) атомыг химийн элементийн хамгийн жижиг бөөмс гэж үзсэн ба бусад элементийн атомаас массаараа ялгаатай. Далтоны хэлснээр атомын гол шинж чанар нь түүний атомын масс юм. Химийн нэгдлүүд гэдэг нь элемент тус бүрийн тодорхой тооны атом агуулсан (өгөгдсөн нийлмэл бодисын шинж чанар) "нийлмэл атомуудын" цуглуулга юм. Бүгд химийн урвалЭнэ нь зөвхөн атомуудыг шинэ цогц бөөмс болгон өөрчлөх явдал юм. Эдгээр заалтууд дээр үндэслэн Далтон олон тооны харьцааны тухай хуулиа боловсруулсан (Олон тооны харьцааны хуулийг үзнэ үү). Италийн эрдэмтэд А.Авогадро (1811), тэр дундаа С.Каннизаро (1858) нарын судалгаанууд атом ба молекулын хоорондох тодорхой шугамыг зурсан. 19-р зуунд Атомын химийн шинж чанаруудын зэрэгцээ тэдгээрийн оптик шинж чанарыг судалсан. Элемент бүр нь өвөрмөц оптик спектртэй болохыг олж мэдсэн; нээлттэй байсан спектрийн шинжилгээ(Германы физикч Г. Кирхгоф, Р. Бунсен, 1860). Ийнхүү атом нь чанарын хувьд гарч ирэв нэг төрлийн бөөмсхатуу тодорхойлсон физик, химийн шинж чанараараа тодорхойлогддог бодис. Гэвч атомын шинж чанарыг мөнхийн бөгөөд тайлбарлах боломжгүй гэж үздэг байв. Атомын төрлүүдийн тоо (химийн элементүүд) санамсаргүй бөгөөд тэдгээрийн хооронд ямар ч холбоо байхгүй гэж үздэг байв. Гэсэн хэдий ч аажмаар тодорхой болсон нь ижил химийн шинж чанартай элементүүдийн бүлгүүд байдаг - ижил хамгийн их валенттай, ижил төстэй өөрчлөлтийн хуулиуд (нэг бүлгээс нөгөөд шилжих үед) физик шинж чанар - хайлах цэг, шахагдах чадвар гэх мэт. 1869 онд Д.И.Менделеев нээсэн үечилсэн хүснэгтэлементүүд (Элементүүдийн үечилсэн хүснэгтийг үзнэ үү). Элементүүдийн атомын масс нэмэгдэхийн хэрээр химийн болон физик шинж чанар нь үе үе давтагддагийг тэрээр харуулсан. будаа. 1
Тэгээд 2
). Тогтмол хүснэгт нь хоорондоо холбоо байгааг нотолсон янз бүрийн төрөлатомууд. Дүгнэлт нь атом нь өөрчлөгддөг нарийн төвөгтэй бүтэцтэй байдаг атомын масс. Атомын бүтцийг илчлэх асуудал нь хими, физикийн хамгийн чухал асуудал болсон (дэлгэрэнгүй мэдээллийг Атомизмаас үзнэ үү).
Атомын физикийн үүсэл.Физик үүссэн шинжлэх ухааны хамгийн чухал үйл явдлууд нь электрон ба цацраг идэвхт бодисын нээлтүүд байв. Маш ховордсон хийгээр цахилгаан гүйдэл дамжих явцыг судлахдаа гадагшлуулах хоолойн катодоос (катодын туяа) ялгардаг туяаг олж илрүүлсэн бөгөөд хөндлөн цахилгаан, соронзон орон дээр хазайх шинж чанартай байдаг. Эдгээр цацрагууд нь электрон гэж нэрлэгддэг хурдан хөдөлдөг сөрөг цэнэгтэй хэсгүүдээс бүрддэг нь тогтоогджээ. 1897 онд Английн физикч Ж.Ж.Томсон цэнэгийн харьцааг хэмжжээ дэдгээр хэсгүүдийн массыг нь м.Металлуудыг хүчтэй халаах эсвэл богино долгионы гэрлээр гэрэлтүүлэх үед электрон ялгаруулдаг болохыг олж мэдсэн (Термионы ялгарал, Фотоэлектрон ялгаралтыг үзнэ үү). Эндээс электронууд нь аливаа атомын нэг хэсэг юм гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн. Эндээс төвийг сахисан атомууд нь эерэг цэнэгтэй бөөмсийг агуулсан байх ёстой гэсэн дүгнэлт гарчээ. Эерэг цэнэгтэй атомууд - ионууд нь ховордсон хий дэх цахилгаан цэнэгийг судлах явцад үнэхээр нээгдсэн. Голландын физикч Х.Лоренцын онолын дагуу атомыг цэнэглэгдсэн бөөмсийн систем гэж тайлбарлав. ,
атом гэрэл цацруулах магадлал ( цахилгаан соронзон долгион): атомын доторх цэнэг хэлбэлзэх үед цахилгаан соронзон цацраг үүсдэг; Энэ нь үйл ажиллагааны судалгаагаар батлагдсан соронзон орондээр атомын спектр(Земаны үзэгдлийг үзнэ үү). Энэ нь дотор нь цэнэгийн харьцаа нь болсон атомын электронуудтэдний масс руу д/м,Лоренцын Зееманы үзэгдлийн онолдоо олж авсан утга нь яг тэнцүү байна д/мТомсоны туршилтаар олж авсан чөлөөт электронуудын хувьд. Электрон онол ба түүний туршилтын баталгааатомын нарийн төвөгтэй байдлын маргаангүй нотолгоо болсон. Атомын хуваагдашгүй, хувиршгүй байдлын тухай санааг Францын эрдэмтэд М.Склодовска-Кюри (Склодовска-Кюри-г үзнэ үү), П.Кюри (Кюри-Склодовскаг үзнэ үү) нарын бүтээлүүд эцэст нь няцаасан. .
Цацраг идэвхжлийг судалсны үр дүнд байгуулагдсан (Ф.Содди) ,
атомууд хоёр төрлийн хувиралд ордог. Альфа бөөмс (2 эерэг цэнэгтэй гелий ион) ялгаруулж байна д), цацраг идэвхт химийн элементийн атом нь үелэх системийн 2 эсийн зүүн талд байрлах өөр элементийн атом болж хувирдаг, жишээлбэл, полони атом нь хар тугалганы атом болж хувирдаг. Сөрөг цэнэгтэй бета бөөмс (электрон) ялгаруулж - э,цацраг идэвхт химийн элементийн атом нь баруун талд 1 эсэд байрлах элементийн атом болж хувирдаг, жишээлбэл, висмут атом нь полони атом болж хувирдаг. Ийм хувирлын үр дүнд үүссэн атомын масс нь заримдаа түүний эс рүү унасан элементийн атомын жингээс ялгаатай байдаг. Үүнээс үүдэн ижил химийн элементийн атомуудын сортууд бий болсон янз бүрийн масс; Эдгээр сортуудыг дараа нь изотопууд гэж нэрлэдэг (жишээ нь, үечилсэн хүснэгтэд нэг байр эзэлдэг). Тиймээс өгөгдсөн химийн элементийн бүх атомуудын үнэмлэхүй ижил төстэй байдлын санаа буруу болж хувирав. Электрон ба цацраг идэвхт бодисын шинж чанарыг судалсны үр дүнд атомын тодорхой загварыг бий болгох боломжтой болсон. 1903 онд Томсоны санал болгосон загварт атомыг эерэг цэнэгтэй бөмбөрцөг хэлбэрээр дүрсэлсэн бөгөөд үүнд жижиг (атомтой харьцуулахад) сөрөг электронууд ( будаа. 3
). Тэдний тархсан эерэг цэнэгийн татах хүч нь харилцан түлхэлтийн хүчээр тэнцвэрждэг тул тэдгээр нь атомд хадгалагддаг. Томсоны загвар нь атомын гэрлийг ялгаруулах, сарниулах, шингээх боломжийн талаар сайн мэддэг тайлбарыг өгсөн. Электронуудыг тэнцвэрийн байрлалаас нүүлгэх үед тэнцвэрийг сэргээх хандлагатай "уян" хүч үүсдэг; энэ хүч нь электроныг нүүлгэн шилжүүлэхтэй пропорциональ байна тэнцвэрийн байрлалТиймээс диполь момент (диполь моментийг үзнэ үү)
атом. Ирж буй цахилгаан соронзон долгионы цахилгаан хүчний нөлөөн дор атом дахь электронууд ижил давтамжтайгаар хэлбэлздэг. цахилгаан эрчимгэрлийн долгионоор; Хэлбэлзэх электронууд нь эргээд ижил давтамжтай гэрлийг ялгаруулдаг. Цахилгаан соронзон долгионыг бодисын атомууд ингэж тараадаг. Бодисын зузаан дахь гэрлийн цацрагийн уналтын түвшингээр та олж мэдэх боломжтой нийт тооэлектронуудыг тарааж, нэгж эзэлхүүн дэх атомын тоог мэдсэнээр атом тус бүрийн электроны тоог тодорхойлж болно. Рутерфордын бүтээл гаригийн загваратом.Томсоны атомын загвар нь хангалтгүй байсан. Үүний үндсэн дээр Английн физикч Э.Резерфорд болон түүний хамтран зүтгэгчид Х.Гейгер, Э.Марсден нарын альфа бөөмсийг атомаар тараах туршилтын огт санаанд оромгүй үр дүнг тайлбарлах боломжгүй байв. Эдгээр туршилтуудад хурдан α бөөмсийг атомуудыг шууд шалгахад ашигласан. Материар дамжин өнгөрөхдөө альфа бөөмс атомуудтай мөргөлддөг. Мөргөлдөх бүрт атомын цахилгаан талбараар дамжин өнгөрөх α-бөөм нь хөдөлгөөний чиглэлийг өөрчилдөг - тархалтыг мэдэрдэг. Тархалтын үйл явдлуудын дийлэнх хэсэгт α-бөөмийн (тарагдах өнцөг) хазайлт маш бага байв. Иймээс α-бөөмийн туяа материйн нимгэн давхаргаар дамжин өнгөрөхөд зөвхөн цацрагийн бага зэрэг бүдгэрч байсан. Гэсэн хэдий ч α бөөмсийн маш бага хэсэг нь 90 ° -аас дээш өнцгөөр хазайсан. Энэ үр дүнг Томсоны загварт үндэслэн тайлбарлах боломжгүй, учир нь "Хатуу" атом дахь цахилгаан орон нь хурдан бөгөөд их хэмжээний α бөөмсийг том өнцгөөр хазайлгахад хангалттай хүчтэй биш юм. α бөөмсийг тараах туршилтын үр дүнг тайлбарлахын тулд Рутерфорд зарчмын хувьд санал болгосон. шинэ загварбүтэц нь санагдуулам атом нарны системба гаригийн гэж нэрлэдэг. Энэ нь дараах байдалтай харагдаж байна. Атомын төвд эерэг цэнэгтэй цөм байдаг бөгөөд түүний хэмжээсүүд (Атомын физик 10-12) см) нь атомын хэмжээтэй харьцуулахад маш бага (Атомын физик 10 -8 см), масс нь атомын масстай бараг тэнцүү байна. Электронууд нарны эргэн тойронд байгаа гаригууд шиг цөмийг тойрон хөдөлдөг; цэнэггүй (төвийг сахисан) атом дахь электронуудын тоо нь тэдний нийт сөрөг цэнэгнөхөх (саармагжуулах) эерэг цэнэгцөм. Электронууд цөмийг тойрон хөдөлж байх ёстой, эс тэгвээс таталцлын нөлөөн дор түүн дээр унах болно. Атом ба хоёрын ялгаа гаригийн системЭнэ нь сүүлийнх нь таталцлын хүч, атомд цахилгаан (Кулом) хүч байдагт оршино. Цэгийн эерэг цэнэг гэж үзэж болох цөмийн ойролцоо маш хүчтэй цахилгаан орон бий. Тиймээс цөмийн ойролцоо нисэх үед эерэг цэнэгтэй α-бөөмүүд (гелийн цөм) хүчтэй хазайлтыг мэдэрдэг (харна уу. будаа. 4
). Хожим нь олж мэдсэн (Г. Мозели) цөмийн цэнэг нэг химийн элементээс нөгөөд цэнэгийн элементар нэгжээр нэмэгддэг. цэнэгтэй тэнцүү байнаэлектрон (гэхдээ хамт эерэг тэмдэг). Тоон утгаараа атомын цөмийн цэнэгийг е элементар цэнэгийн нэгжээр илэрхийлсэн нь тэнцүү байна. серийн дугаарүелэх систем дэх харгалзах элемент. Гаригийн загварыг туршихын тулд Рутерфорд болон түүний хамтран зүтгэгч Чарльз Дарвин нар цэгийн цөм буюу төвөөр тархсан α бөөмсийн өнцгийн тархалтыг тооцоолжээ. Кулоны хүч. Хүлээн авсан үр дүнг туршилтаар баталгаажуулсан - дор тараагдсан α-бөөмийн тоог хэмжих замаар. өөр өөр өнцөг. Туршилтын үр дүн нь онолын тооцоотой яг таарч, улмаар Рутерфордын атомын гаригийн загварыг гайхалтай баталжээ. Гэсэн хэдий ч атомын гаригийн загвар үндсэн бэрхшээлтэй тулгарсан. Сонгодог электродинамикийн дагуу хурдатгалтай хөдөлж буй цэнэглэгдсэн бөөмс тасралтгүй цахилгаан соронзон энерги ялгаруулдаг. Тиймээс цөмийг тойрон хөдөлж буй электронууд, өөрөөр хэлбэл, хурдасч, цацраг туяагаар эрчим хүчээ тасралтгүй алдах шаардлагатай болно. Гэхдээ тэр үед тэд зориулагдсан өчүүхэн хувьсекунд бүх кинетик энергиэ алдаж, цөм рүү унах болно. Цацраг туяатай холбоотой өөр нэг бэрхшээл нь дараахь зүйл байв: хэрэв бид (сонгодог электродинамикийн дагуу) электроноос ялгарах гэрлийн давтамж нь атом дахь электроны хэлбэлзлийн давтамжтай тэнцүү гэж үзвэл (өөрөөр хэлбэл тоо Нэг секундын дотор тойрог замдаа эргэлт хийх) эсвэл олон тооны эргэлттэй бол электрон цөмд ойртоход ялгардаг гэрэл нь давтамжаа тасралтгүй өөрчлөх ёстой бөгөөд үүнээс ялгарах гэрлийн спектр тасралтгүй байх ёстой. Гэхдээ энэ нь туршлагаас зөрчилддөг. Атом ялгаруулдаг гэрлийн долгионөгөгдсөн химийн элементийн ердийн сайн тодорхойлогдсон давтамжууд бөгөөд тус тусдаа спектрийн шугамуудаас бүрдэх спектрээр тодорхойлогддог - шугамын спектр. Элементүүдийн шугаман спектрт хэд хэдэн зүй тогтлыг туршилтаар тогтоосон бөгөөд эхнийх нь устөрөгчийн спектрийг Швейцарийн эрдэмтэн И.Балмер (1885) нээжээ. Ихэнх ерөнхий загвар- хосолсон зарчим - Австрийн эрдэмтэн В.Риц (1908) олсон. Энэ зарчмыг дараах байдлаар томъёолж болно: элемент бүрийн атомуудын хувьд тоонуудын дарааллыг олж болно. Т 1 ,Т 2 ,Т 3,... - гэж нэрлэгддэг давтамжтай байхаар спектрийн нэр томъёо vТухайн элементийн спектрийн шугам бүрийг хоёр гишүүний зөрүүгээр илэрхийлнэ. v = Тк - Тби .
Устөрөгчийн атомын хувьд энэ нэр томъёо Tn = R/n 2,Хаана n-бүхэл тоо авах утга n= 1, 2, 3,..., a R-гэж нэрлэгддэг Rydberg тогтмол (Rydberg тогтмолыг үзнэ үү).
Ийнхүү Рутерфордын атомын загварын хүрээнд атомын цацрагийн тогтвортой байдал, түүний цацрагийн шугамын спектрийг тайлбарлах боломжгүй байв. Үүний үндсэн дээр дулааны цацрагийн хуулиуд болон цацраг нь бодистой харилцан үйлчлэх үед үүсдэг фотоэлектрик үзэгдлийн хуулиудыг тайлбарлах боломжгүй юм. Эдгээр хуулиудыг Германы физикч М.Планк (1900) анх нэвтрүүлсэн цоо шинэ квант үзэл баримтлалд тулгуурлан тайлбарлах боломжтой болсон. Дулааны цацрагийн спектр дэх энергийн тархалтын хуулийг гаргахын тулд - халсан биетүүдээс цацраг туяа - Планк бодисын атомууд нь цахилгаан соронзон энергийг (гэрэл) салангид хэсэг - гэрлийн квант хэлбэрээр ялгаруулдаг, энерги нь пропорциональ байна гэж санал болгосон. v(цацрагийн давтамж): E = hv,Хаана h-тогтмол, шинж чанар квант онолмөн Планкийн тогтмол гэж нэрлэдэг (Планкийн тогтмолыг үзнэ үү). 1905 онд А.Эйнштейн фотоэлектрик үзэгдлийн квант тайлбарыг өгсөн бөгөөд үүний дагуу квантын энерги hvметаллаас электроныг урах гэж явдаг - Ажлын функц R -мөн түүнд мессеж илгээх кинетик энерги Тхамаатан садан; hv = Р+ Ткин. Үүний зэрэгцээ Эйнштейн гэрлийн квантуудын тухай ойлголтыг бөөмсийн тусгай төрөл болгон нэвтрүүлсэн; Эдгээр бөөмсийг дараа нь фотон гэж нэрлэдэг.
Зөвхөн хэд хэдэн уламжлалт санааг орхисноор Рутерфордын загварын зөрчилдөөнийг шийдвэрлэх боломжтой болсон. сонгодог физик. Атомын онолыг бий болгох хамгийн чухал алхамыг Данийн физикч Н.Бор (1913) хийсэн. Борын постулатууд ба Борын атомын загвар. Бор атомын квант онолын үндэс суурийг сонгодог физикийн хүрээнд үл нийцэх атомын шинж чанарыг тодорхойлдог хоёр постулат дээр тавьсан. Борын эдгээр постулатуудыг дараах байдлаар томъёолж болно. 1. Оршихуй суурин төлөвүүд. Атом нь цацраг ялгаруулдаггүй бөгөөд зөвхөн "зөвшөөрөгдсөн" энергийн утгын салангид (тасралтгүй) цувралд тохирох зарим суурин (цаг хугацааны хувьд өөрчлөгддөггүй) төлөвт л тогтвортой байдаг. Э 1 , Э 2 , Э 3 ,
Э 4,... Эрчим хүчний аливаа өөрчлөлт нь нэг суурин төлөвөөс нөгөөд шилжих квант (үсрэлт)-тэй холбоотой. 2. Цацрагийн давтамжийн нөхцөл (цацрагтай квант шилжилт). Энергитэй нэг суурин төлөвөөс шилжих үед ЭБи эрч хүчтэй өөр нэгэнд орлоо Э k атом нь тодорхой давтамжийн гэрлийг ялгаруулдаг буюу шингээдэг vцацрагийн квант (фотон) хэлбэрээр hv,харьцааны дагуу hv = Eби - Эк. Атом ялгарах үед илүү их энергитэй төлөвөөс хөдөлдөг Э i бага энергитэй төлөв рүү Э k , шингээх үед, эсрэгээр, бага энергитэй төлөвөөс Э k илүү их энергитэй төлөвт шилжих Эби.
Борын постулатууд нь шууд ойлгох боломжийг бидэнд олгодог физик утга Ritz хослолын зарчим (дээрхийг үзнэ үү); харьцааны харьцуулалт hv = Эби - Эк ба v = Тк - Тби
спектрийн нөхцлүүд нь хөдөлгөөнгүй төлөвтэй тохирч байгааг харуулж байгаа бөгөөд сүүлийн үеийн энерги нь тэнцүү байх ёстой (тогтмол хугацаа хүртэл) Эби = - hTби , Э k = - hTк.
Гэрэл ялгарах эсвэл шингээх үед атомын энерги өөрчлөгддөг, энэ өөрчлөлт нь ялгарсан эсвэл шингээгдсэн фотоны энергитэй тэнцүү байдаг, өөрөөр хэлбэл энерги хадгалагдах хууль явагддаг. Атомын шугамын спектр нь түүний энергийн боломжит утгуудын салангид байдлын үр дүн юм. Атомын энергийн зөвшөөрөгдөх утгыг тодорхойлох, түүний энергийн квантжуулалт, харгалзах хөдөлгөөнгүй төлөв байдлын шинж чанарыг олохын тулд Бор сонгодог (Ньютоны) механикийг ашигласан. Бор 1913 онд "Хэрэв бид хөдөлгөөнгүй төлөв байдлын дүрслэлийг бий болгохыг хүсч байвал энгийн механикаас өөр арга байхгүй" гэж 1913 онд бичжээ. Л., 1923, 22-р тал). Хамгийн энгийн атомын хувьд + цэнэгтэй цөмөөс бүрдэх устөрөгчийн атом д(протон) ба цэнэгтэй электрон - д, Бор тойрог тойрог замд цөмийг тойрон электроны хөдөлгөөнийг авч үзсэн. Атомын энергийг харьцуулах Эспектрийн нөхцлүүдтэй Tn = R/n 2Устөрөгчийн атомын хувьд түүний спектрийн шугамын давтамжаас маш нарийвчлалтай олсон тэрээр атомын энергийн боломжит утгыг олж авсан. Э н= -hT n = -hR/n 2(хаана n= 1, 2, 3,...). Эдгээр нь радиусын тойрог замд нийцдэг a n = a 0 n 2,Хаана а 0 = 0.53·10 -8 см -Бор радиус - хамгийн жижиг дугуй тойрог замын радиус (ат n= 1). Бор эргэлтийн давтамжийг тооцоолсон vэлектроны энергиээс хамааран цөмийг тойрон тойрог тойрог замд электрон. Атомоос ялгарах гэрлийн давтамж нь эргэлтийн давтамжтай давхцдаггүй нь тогтоогдсон. v n , сонгодог электродинамикийн шаардлагын дагуу, харьцааны дагуу пропорциональ байна hv = Eби - Э k, хоёр боломжит тойрог зам дахь электрон энергийн ялгаа. Электронын тойрог замын давтамж ба цацрагийн давтамжийн хоорондын холбоог олохын тулд Бор квант болон сонгодог онолуудцацрагийн бага давтамжтай давхцах ёстой (урт долгионы хувьд; ийм давхцал нь дулааны цацрагийн хувьд тохиолддог, хуулиудыг нь Планк гаргаж авсан). Тэр томоор адилтгасан nшилжилтийн давтамж v = (Э n+1 - Э n)/ hэргэлтийн давтамж vөгөгдөлтэй тойрог замд n nмөн утгыг тооцоолсон Ридберг тогтмол R,Энэ нь үнэ цэнэтэй маш нарийвчлалтай давхцсан R,туршлагаас олж мэдсэн нь Борын таамаглалыг баталсан. Бор зөвхөн устөрөгчийн спектрийг тайлбарлаад зогсохгүй устөрөгчтэй холбоотой зарим спектрийн шугамууд гелийд хамаардаг болохыг баттай харуулж чадсан. Бага цацрагийн давтамжийн хязгаарлагдмал тохиолдолд квант болон сонгодог онолын үр дүн давхцах ёстой гэсэн Борын таамаглал нь анхны хэлбэр гэж нэрлэгддэг байсан. захидал харилцааны зарчим. Дараа нь Бор үүнийг спектрийн шугамын эрчмийг олоход амжилттай ашигласан. Орчин үеийн физикийн хөгжил харуулсанчлан захидал харилцааны зарчим нь маш ерөнхий болсон (Захидал харилцааны зарчмыг үзнэ үү) .
Борын атомын онолд энергийн хэмжээг тодорхойлох, өөрөөр хэлбэл түүний боломжит утгыг олох нь "зөвшөөрөгдсөн" тойрог замыг олох ерөнхий аргын онцгой тохиолдол болж хувирав. Квантын онолын дагуу ийм тойрог замууд нь зөвхөн атом дахь электроны өнцгийн импульс нь бүхэл үржвэртэй тэнцүү байдаг тойрог замууд юм. h/2π.Зөвшөөрөгдсөн тойрог зам бүр нь атомын энергийн тодорхой боломжит утгатай тохирч байна (Атомыг үзнэ үү).
Атомын квант онолын үндсэн заалтууд болох Борын 2 постулатыг туршилтаар иж бүрэн баталлаа. Ялангуяа тодорхой баталгааг Германы физикч Ж.Франк, Г.Герц (1913-16) нарын туршилтууд өгсөн. Эдгээр туршилтуудын мөн чанар нь энэ юм. Энергийг хянах боломжтой электронуудын урсгал мөнгөн усны уур агуулсан саванд ордог. Электронуудад энерги өгөгдсөн бөгөөд энэ нь аажмаар нэмэгддэг. Электрон энерги нэмэгдэхийн хэрээр гальванометрийн гүйдэл холбогдоно цахилгаан хэлхээ, нэмэгддэг; электрон энерги нь тодорхой утгатай тэнцүү байх үед (4.9; 6.7; 10.4) э.в), гүйдэл огцом буурдаг ( будаа. 5
). Үүний зэрэгцээ мөнгөн усны уур ялгардаг болохыг олж мэдэх боломжтой хэт ягаан туяатодорхой давтамж. Оруулсан баримтууд нь зөвхөн нэг тайлбарыг зөвшөөрдөг. Электрон энерги 4.9-ээс бага байхад эв,электронууд мөнгөн усны атомуудтай мөргөлдөхөд энерги алддаггүй - мөргөлдөөн нь уян хатан шинж чанартай байдаг. Эрчим хүч нь тодорхой утгатай тэнцэх үед яг 4.9 эв,электронууд энергийг мөнгөн усны атом руу шилжүүлж, дараа нь хэт ягаан туяаны квант хэлбэрээр ялгаруулдаг. Тооцоолол нь эдгээр фотонуудын энерги нь электронуудын алдаж буй энергитэй яг тэнцүү болохыг харуулж байна. Эдгээр туршилтууд нь атомын дотоод энерги нь зөвхөн тодорхой салангид утгатай болохыг баталж, атом нь гаднаас энергийг шингээж аваад бүхэл квантаар шууд ялгаруулдаг, эцэст нь атомаас ялгарах гэрлийн давтамж нь . атомын алдагдсан энерги. A. f-ийн цаашдын хөгжил. Борын постулатууд зөвхөн атомуудад төдийгүй бусад микроскопийн системүүдэд - молекул болон атомын цөм. Эдгээр постулатуудыг баттай туршилт гэж үзэх нь зүйтэй квант хуулиуд. Эдгээр нь квант онолын цаашдын хөгжлийн явцад хадгалагдан үлдсэн Борын онолын нэг хэсгийг бүрдүүлдэг төдийгүй үндэслэлээ олж авсан юм. Атом дахь электронуудын хөдөлгөөнийг сонгодог механикийн хуулиудын дагуу авч үзсэний үндсэн дээр атомын Бор загварт байдал өөр байна. нэмэлт нөхцөлквантчлал. Энэ арга нь хэд хэдэн чухал үр дүнд хүрэх боломжийг олгосон боловч зөрчилдөөнтэй байсан: квант постулатуудыг сонгодог механикийн хуулиудад зохиомлоор хавсаргасан. 20-иод онд тууштай онол бий болсон. 20-р зуун Квант механик. Түүний бүтээлийг цаашдын хөгжлөөр бэлтгэсэн загварын төлөөлөлБорын онол, түүний явцад түүний давуу болон сул талууд тодорхой болсон. Борын атомын загварын онолын хөгжил.Маш чухал үр дүнБорын онол нь устөрөгчийн атомын спектрийн тайлбар байв. Атомын спектрийн онолыг хөгжүүлэх дараагийн алхамыг Германы физикч А.Зоммерфельд хийсэн. Атом дахь электронуудын хөдөлгөөний (зууван тойрог зам дагуу) илүү төвөгтэй зураг дээр үндэслэн квантчлах дүрмийг илүү нарийвчлан боловсруулж, гаднах (валент гэгддэг) электроныг скринингийн талбарт оруулав. цөм ба дотоод электронуудын тусламжтайгаар тэрээр шүлтлэг металлын спектрийн хэд хэдэн хэв маягийг тайлбарлаж чадсан. Борын атомын онол ч гэж нэрлэгддэг бүтцийн талаар гэрэл гэгээтэй болгодог. рентген цацрагийн шинж чанарын спектрүүд. Атомын рентген спектр нь тэдний оптик спектрийн нэгэн адил тухайн элементийн салангид шугамын бүтэцтэй байдаг (иймээс нэр нь). Рентген туяаны спектрийн шинж чанарыг судлах янз бүрийн элементүүд, Английн физикч Г.Мозели дараах зүй тогтолыг нээсэн. квадрат үндэсМенделеевийн үечилсэн системд ялгарах шугамын давтамж нь элементийн атомын дугаартай пропорциональ элементээс элемент рүү жигд нэмэгддэг. Сонирхолтой баримт бол Мозелийн хууль нь Менделеевийн зөвийг бүрэн баталсан бөгөөд тэрээр зарим тохиолдолд атомын жингийн өсөлтийн дагуу хүснэгтэд элементүүдийг байрлуулах зарчмыг зөрчиж, илүү ихийг байрлуулсан байдаг. хүнд элементүүдЦаашид илүү хөнгөнүүд байна. Борын онол дээр үндэслэн атомын шинж чанарын үечилсэн байдлыг тайлбарлах боломжтой байв. Нарийн төвөгтэй атомд электрон бүрхүүлүүд үүсдэг бөгөөд тэдгээр нь дотроос эхлээд тодорхой тооны электронуудаар дараалан дүүрдэг (бүрхүүл үүсэх физик шалтгаан нь зөвхөн Паули зарчмын үндсэн дээр тодорхой болсон, доороос үзнэ үү). Гадаад бүтэц электрон бүрхүүлүүдүе үе давтагддаг бөгөөд энэ нь үечилсэн системийн нэг бүлэгт байрлах элементүүдийн химийн болон олон физик шинж чанаруудын үе үе давталтыг тодорхойлдог. Борын онолын үндсэн дээр Германы химич В.Коссель (1916) тайлбарлав. химийн харилцан үйлчлэлгэж нэрлэгддэг зүйлд гетерополяр молекулууд. Гэсэн хэдий ч атомын онолын бүх асуудлыг Борын онолын загвар үзэл баримтлалын үндсэн дээр тайлбарлах боломжгүй юм. Энэ нь спектрийн онолын олон асуудлыг даван туулж чадаагүй бөгөөд энэ нь устөрөгчийн атом ба устөрөгчтэй төстэй атомуудын спектрийн шугамын давтамжийн зөв утгыг олж авах боломжийг олгосон бөгөөд эдгээр шугамын эрч хүч нь тодорхойгүй хэвээр байв; Бор эрчмийг тайлбарлахын тулд захидал харилцааны зарчмыг ашиглах ёстой байв. Устөрөгчийн атомаас илүү төвөгтэй атом дахь электронуудын хөдөлгөөнийг тайлбарлахын тулд Борын загварын онол мухардалд оров. Цөмийг тойрон 2 электрон хөдөлдөг гелий атом аль хэдийн бууж өгөөгүй онолын тайлбарүүн дээр үндэслэсэн. Хэцүү байдал нь зөвхөн туршлага, тоон зөрүүгээр хязгаарлагдахгүй. Атомыг молекул болгон нэгтгэх гэх мэт асуудлыг шийдвэрлэхэд онол ч хүчгүй болсон. Яагаад саармаг устөрөгчийн атомууд нийлж устөрөгчийн молекул үүсгэдэг вэ? Валентын мөн чанарыг бид хэрхэн тайлбарлах вэ? Атомыг юу холбодог хатуу? Эдгээр асуултууд хариултгүй үлдсэн. Борын загварын хүрээнд тэдгээрийг шийдвэрлэх арга замыг олох боломжгүй байв. Атомын квант механик онол.Борын атомын загварын хязгаарлалтууд нь бичил бөөмсийн хөдөлгөөний талаархи сонгодог санаануудын хязгаарлалтаас үүдэлтэй байв. Атомын онолыг цаашид хөгжүүлэхийн тулд бичил бөөмсийн хөдөлгөөн, харилцан үйлчлэлийн үндсэн ойлголтуудыг шүүмжлэлтэй дахин авч үзэх шаардлагатай нь тодорхой болов. Үндэслэсэн загвар нь хангалтгүй шинж чанар сонгодог механикквантчлалын нөхцөлийг нэмснээр үзэл бодол нь нөлөөлсөн Бор өөрөө тодорхой ойлгосон их нөлөө үзүүлсэндээр цаашдын хөгжил A.f. A. f-ийн хөгжлийн шинэ үе шатны эхлэл. илэрхийлсэн санаанаас урам зориг авсан Францын физикч L. de Broglie (1924) бичил биетүүдийн хөдөлгөөний давхар шинж чанарын тухай, ялангуяа электрон (Де Бройлийн долгионыг үзнэ үү). Энэхүү санаа нь 1925-26 онд В.Гейзенберг, М.Борн (Герман), Э.Шредингер (Австри), П.Дирак (Англи) нарын бүтээлээр бүтээгдсэн квант механикийн эхлэлийн цэг болсон (Квантын механикийг үзнэ үү). Үүний үндсэн дээр атомын орчин үеийн квант механик онолыг боловсруулсан. Электрон (ерөнхийдөө микро бөөмс) хөдөлгөөний тухай квант механикийн ойлголтууд нь сонгодог ойлголтуудаас үндсэндээ ялгаатай. Квант механикийн дагуу электрон нь хатуу бөмбөлөг шиг траекторийн дагуу (орбит) хөдөлдөггүй; Электроны хөдөлгөөн нь долгионы тархалтын онцлог шинж чанартай байдаг. Нэг талаас, электрон нь үргэлж (жишээлбэл, мөргөлдөөнд) нэгдмэл байдлаар, хуваагдашгүй цэнэг, масстай бөөмс шиг ажилладаг; Үүний зэрэгцээ тодорхой энерги, импульс бүхий электронууд нь тодорхой давтамжтай (мөн тодорхой долгионы урттай) хавтгай долгион шиг тархдаг. Электрон энерги ЭБөөмүүд давтамжтай хэрхэн холбоотой вэ? v электрон долгионхарьцаа: E=hv,ба түүний импульс r -долгионы урттай λ
харьцаа: р = h/λ.
Шрөдингер (1926)-ын үзүүлсэн шиг атом дахь электроны тогтвортой хөдөлгөөн нь зарим талаараа зогсож буй долгионтой төстэй байдаг (Тогтвортой долгионыг үзнэ үү) ,
далайц нь өөр өөр цэгүүдэд өөр өөр байдаг. Түүгээр ч зогсохгүй атомын нэгэн адил хэлбэлзлийн систем, зөвхөн зарим "сонгосон" хөдөлгөөнийг тодорхой энергийн утгууд, өнцгийн импульс, атом дахь электроны өнцгийн импульсийн проекцоор хийх боломжтой. Атомын хөдөлгөөнгүй төлөв бүрийг тодорхой долгионы функцээр тайлбарладаг (Долгионы функцийг үзнэ үү) ,
аль нь шийдэл вэ долгионы тэгшитгэлтусгай төрөл - Шредингерийн тэгшитгэл; Долгионы функц нь атом дахь электрон цэнэгийн нягтын тархалтыг (дунджаар) тодорхойлдог "электрон үүл"-тэй тохирч байна (Атомыг үзнэ үү. ,
яг тэнд будаа. 3
устөрөгчийн атомын "электрон үүл"-ийн төсөөллийг үзүүлэв). 20-30-аад онд. электрон цэнэгийн нягтын тархалтыг тооцоолох ойролцоо аргыг боловсруулсан нарийн төвөгтэй атомууд, ялангуяа Томас-Ферми арга (1926, 1928). Энэ үнэ цэнэ болон холбогдох утга гэж нэрлэгддэг. атомын хүчин зүйл(Атомын хүчин зүйлийг үзнэ үү)
атомуудтай электрон мөргөлдөх, түүнчлэн тэдгээрийн рентген туяаг сарниулахыг судлахад чухал ач холбогдолтой. Квант механик дээр үндэслэн Шредингерийн тэгшитгэлийг шийдснээр нийлмэл атом дахь электронуудын энергийг зөв тооцоолох боломжтой болсон. Ийм тооцооны ойролцоо аргыг 1928 онд Д.Хартри (Англи), 1930 онд В.А.Фок (ЗХУ) нар боловсруулсан. Атомын спектрийн судалгаа нь атомын квант механик онолыг бүрэн баталсан. Атом дахь электроны төлөв нь түүний Спинээс ихээхэн хамаардаг болох нь тогтоогдсон -
импульсийн өөрийн механик момент. Гадны цахилгаан ба соронзон орны атомд үзүүлэх нөлөөллийн тайлбарыг өгсөн (Старк үзэгдэл (Старкийн эффектийг үзнэ үү), Зееманы үзэгдлийг үзнэ үү). Электрон спинтэй холбоотой чухал ерөнхий зарчмыг Швейцарийн физикч В.Паули (1925) нээсэн (Паули зарчмыг үзнэ үү), энэ зарчмын дагуу атом дахь электрон төлөв бүрт зөвхөн нэг электрон байж болно; Хэрэв энэ мужаль хэдийн зарим электрон эзэлдэг, дараа нь атомын найрлагад орсон дараагийн электрон нь өөр төлөвийг эзлэхээс өөр аргагүй болдог. Паули зарчимд үндэслэн элементүүдийн шинж чанарын үечилсэн байдлыг тодорхойлдог нарийн төвөгтэй атом дахь электрон бүрхүүлийн эзлэхүүний тоог эцэслэн тогтоожээ. Квантын механик дээр үндэслэн Германы физикч В.Хейтлер, Ф.Лондон (1927) нар гэгдэх онолыг гаргажээ. гомеополяр химийн холбооатомын Бор загварын хүрээнд тайлбарлах боломжгүй хоёр ижил атом (жишээлбэл, H 2 молекул дахь устөрөгчийн атомууд). 30-аад оны квант механикийн чухал хэрэглээ. дараа нь молекул эсвэл талстыг бүрдүүлдэг атомуудын талаар судалгаа хийсэн. Молекулын нэг хэсэг болох атомын төлөв нь чөлөөт атомын төлөвөөс эрс ялгаатай. Атом мөн талст доторх талбайн нөлөөгөөр болорт ихээхэн өөрчлөлт ордог бөгөөд түүний онолыг анх Х.Бет (1929) боловсруулсан. Эдгээр өөрчлөлтийг судалснаар атомын хүрээлэн буй орчинтой харилцах харилцааны мөн чанарыг тогтоох боломжтой. Энэ чиглэлээр хийсэн хамгийн том туршилтын ололт нь А. Энэ бол 1944 онд Е.К.Завойскийн электрон парамагнит резонансын нээлт юм. ,
суралцах боломжийг олгосон янз бүрийн холболтуудхүрээлэн буй орчинтой атомууд. Орчин үеийн атомын физик.Орчин үеийн A. f.-ийн үндсэн хэсгүүд. Эдгээр нь атомын онол, атомын (оптик) спектроскопи, рентген спектроскопи, радио спектроскопи (мөн молекулуудын эргэлтийн түвшинг судалдаг), атом ба ионы мөргөлдөөний физик юм. Спектроскопийн янз бүрийн салбаруудыг хамардаг өөр өөр хүрээцацрагийн давтамж ба үүний дагуу квант энергийн янз бүрийн хүрээ. Рентген спектроскопи нь хэдэн зуун мянга хүртэлх квант энергитэй атомуудын цацрагийг судалдаг. эв,Радио спектроскопи нь маш жижиг квантуудыг авч үздэг - 10 -6-аас бага квант хүртэл э.в.
A. f-ийн хамгийн чухал ажил. - атомын төлөв байдлын бүх шинж чанарыг нарийвчлан тодорхойлох. Бид атомын энергийн боломжит утгууд - түүний энергийн түвшин, өнцгийн импульсийн утга болон атомын төлөв байдлыг тодорхойлдог бусад хэмжигдэхүүнүүдийг тодорхойлох тухай ярьж байна. Эрчим хүчний түвшний нарийн ба хэт нарийн бүтцийг судалдаг (Атомын спектрийг үзнэ үү) ,
цахилгаан ба соронзон орны нөлөөн дор эрчим хүчний түвшний өөрчлөлт - гадаад, макроскоп, дотоод, микроскопийн аль алинд нь. Их үнэ цэнэнь энергийн түвшинд электроны амьдрах хугацаа гэх мэт атомын төлөв байдлын шинж чанартай байдаг. Эцэст нь, их анхааралнь атомын спектрийг өдөөх механизмд зориулагдсан. Физикийн өөр өөр хэсгүүдийн судалдаг үзэгдлийн талбарууд давхцдаг. Рентген туяаны ялгаралт, шингээлтийг хэмжих замаар рентген спектроскопи нь дотоод электронуудын атомын цөмтэй холбох энерги (иончлолын энерги) болон атомын доторх цахилгаан талбайн тархалтыг тодорхойлох боломжийг олгодог. Оптик спектроскопи нь атомуудаас ялгарах спектрийн шугамын багцыг судалж, атомын энергийн түвшний шинж чанар, спектрийн шугамын эрч хүч, өдөөгдсөн төлөвт атомын холбогдох амьдралын хугацааг тодорхойлдог. нарийн бүтэцэрчим хүчний түвшин, тэдгээрийн шилжилт ба цахилгаан соронзон орон дахь хуваагдал. Радио спектроскопи нь спектрийн шугамын өргөн, хэлбэр, тэдгээрийн хэт нарийн бүтэц, соронзон орон дахь шилжилт, хуваагдал, ерөнхийдөө атомын доторх үйл явцыг нарийвчлан судалдаг. сул харилцан үйлчлэлболон хүрээлэн буй орчны нөлөө. Хурдан электрон ба ионуудын атомуудтай мөргөлдөх үр дүнгийн дүн шинжилгээ нь атомын доторх электрон цэнэгийн нягтын ("электрон үүл") тархалт, атомын өдөөх энерги, иончлолын энергийн талаар мэдээлэл авах боломжтой болгодог. Атомын бүтцийн нарийвчилсан судалгааны үр дүн нь зөвхөн физикийн олон салбарт төдийгүй хими, астрофизик болон бусад шинжлэх ухааны салбарт өргөн хэрэглэгддэг. Спектрийн шугамын тэлэлт, шилжилтийг судалсны үндсэн дээр эдгээр өөрчлөлтийг үүсгэдэг орчин (шингэн, болор) дахь орон нутгийн талбарууд болон энэ орчны төлөв байдлыг (температур, нягтрал гэх мэт) дүгнэж болно. Атом дахь электрон цэнэгийн нягтын тархалт ба гадаад харилцан үйлчлэлийн үед түүний өөрчлөлтийн талаархи мэдлэг нь атом үүсгэж болох химийн бондын төрөл, ион дахь ионуудын төлөв байдлыг урьдчилан таамаглах боломжийг олгодог. болор тор. Атом ба ионуудын энергийн түвшний бүтэц, шинж чанарын талаархи мэдээлэл нь квант электроникийн төхөөрөмжүүдэд маш чухал юм (Харна уу.
АТОМЫН ФИЗИК нь атомын бүтэц, шинж чанар, тэдгээртэй холбоотой энгийн процессуудыг судалдаг физикийн салбар юм. Атом нь цахилгаан цэнэгтэй бөөмсийн систем тул түүний бүтэц, шинж чанарыг голчлон 1 эВ-ийн энергитэй 10-8 см зайд үйлчилдэг хэсгүүдийн хоорондох цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлээр тодорхойлдог.
Атом нь бодисын хамгийн жижиг хуваагдашгүй, өөрчлөгддөггүй хэсгүүдийн оршин тогтнох тухай анхны санааг МЭӨ 5-3-р зуунд илэрхийлжээ. Эртний Грек(Демокрит, Эпикур гэх мэт). 17-18-р зуунд яг байгалийн шинжлэх ухаан бүрэлдэн тогтох үед атомист үзэл санааг И.Кеплер, П.Гассенди, Р.Декарт, Р.Богин, И.Ньютон, М.В.Ломоносов зэрэг хүмүүс хөгжүүлсэн боловч зөвхөн 18-р зууны сүүл - 19-р зууны эхэн үе туршилтын судалгааанхны атомын онолыг бий болгоход хүргэсэн. Химийн тоон хууль, хуулиудад үндэслэсэн хамгийн тохиромжтой хийнүүд 19-р зууны эхээр химийн атомизм хөгжиж эхэлсэн (Ж. Далтон, А. Авогадро, И. Берзелиус), 19-р зууны дунд үеэс атом, молекулын тухай ойлголтууд ялгагдах болсон (С. Канницаро). 1869 онд Д.И.Менделеев үе үеийг нээсэн хуульмөн түүний нэрээр нэрлэгдсэн химийн элементүүдийн үечилсэн системийг бий болгосон. Атомист үзэл баримтлал нь молекулын физикийн үндэс суурийг бүрдүүлсэн кинетик онолхий (19-р зууны дунд үе), статистикийн физик (Р. Клаузиус, Ж. С. Максвелл, Л. Больцман, Ж. В. Гиббс). Үүний зэрэгцээ дотоод сургаал атомын бүтэцталстууд ба тэдгээрийн тэгш хэм (R. Gayuy, O. Brave, E.S. Fedorov, Германы кристаллографч А. Schönflies).
20-р зууны эхэн үед орчин үеийн атомын физикийн бүтээн байгуулалтаас өмнө электрон (1897, Ж.Ж. Томсон), цацраг идэвхт чанар (1895, А. Беккерел) зэрэг нээлтүүд хийснээр атом хуваагдашгүй гэсэн үзлийг үгүйсгэсэн юм. Хамгийн чухал үйл явдалатомын физикт 1911 онд Э.Рутерфорд атомтай харьцуулахад жижиг хэмжээстэй, масс болон эерэг дийлэнх хэсгийг агуулсан атомын цөмийг нээсэн явдал юм. цэнэглэхатом. Рутерфорд атомын гаригийн загварыг санал болгов: гэрлийн сөрөг цэнэгтэй электронууд эерэг цэнэгтэй массын цөмийн эргэн тойронд тойрог замд хөдөлдөг. Гэсэн хэдий ч хуулийн дагуу сонгодог электродинамикийм атомТогтворгүй байх болно, учир нь электронууд тасралтгүй цахилгаан соронзон энерги ялгаруулж, хэдхэн секундын дотор цөм рүү унах болно. 1913 онд Н.Бор өөрийн эмпирик байдлаар нэвтрүүлсэн квант постулатууддаа (Борын постулатууд) тулгуурлан тогтвортой атомын онолыг бүтээжээ.
1) атом нь зөвхөн тодорхой дотоод энергиээр тодорхойлогддог салангид суурин төлөвт оршин тогтнох боломжтой бөгөөд эдгээр төлөвт (тодорхой энергийн түвшинд) атом нь тогтвортой бөгөөд цахилгаан соронзон энерги ялгаруулдаггүй;
2) хөдөлгөөнгүй төлөв хоорондын шилжилт гэнэт тохиолддог (өөрөөр хэлбэл түүний энерги тасралтгүй биш, харин огцом өөрчлөгддөг); ийм шилжилтийн үед (квант шилжилт) атом шингээнэ эсвэлцахилгаан соронзон энергийн тодорхой хэсгийг ялгаруулдаг - энерги квант E = hv ik, энд h нь Планкийн тогтмол, v ik нь шилжилт явагдах суурин төлөв i ба k төлөвүүдийн энергиэр тодорхойлогддог квант шилжилтийн давтамж гэж нэрлэгддэг.
Н.Борын атомын онол нь атомын тогтвортой байдлыг тайлбарлахаас гадна атомын спектрийн шугаман байдал, оптик болон рентген спектрийн ажиглагдсан зүй тогтол, түүнчлэн үечилсэн хуульМенделеев. Боломжтойг тодорхойлохын тулд дискрет утгуудУстөрөгчийн атомын энергийн хувьд Бор маш бага v хувьд квант ба сонгодог үр дүн давхцах ёстой гэж (харилцаа холбооны зарчим гэж нэрлэдэг) санал болгож, электроны хөдөлгөөнийг тодорхойлж, түүний энергийг тооцоолоход ашигласан. сонгодог хуулиудэлектродинамик. Гэсэн хэдий ч Борын онол нь гелийн атом болон илүү төвөгтэй атомуудад хамаарахгүй болсон.
1923 онд Л.де Бройль долгион-бөөмийн хоёрдмол байдлын тухай таамаглал дэвшүүлсэн: бодисын бүх бөөмс нь бөөмс болон хоёулаа шинж чанартай байдаг. долгионы шинж чанар, бодисын бөөм бүр тодорхой долгионы урттай байж болно. Де Бройлигийн санаа нь атомын хөдөлгөөнгүй төлөв байдгийг тайлбарлах боломжийг олгосон: зөвхөн тэдгээр нь л боломжтой байдаг. урт долгионэлектрон тойрог замдаа бүхэл тооны удаа ордог. Тиймээс тодорхой төлөвт байгаа электрон ижил төстэй байна зогсож буй долгионтүүний энерги E = hc/λ (c нь гэрлийн хурд) ба импульс ρ = h/λ -ийг тодорхойлдог λ урттай. Де Бройлийн санааг хөгжүүлснээр квант механик (В.Гейзенберг, М.Борн, Э.Шредингер) бий болж, үүний үндсэн дээр атомын тууштай онолыг бий болгосон. Энэ онолын дагуу атомын хөдөлгөөнгүй байдал бүрийг дүрсэлсэн байдаг долгионы функц, энэ нь Шредингерийн тэгшитгэлийн шийдэл юм. Сансар огторгуйн өгөгдсөн цэг дэх электроны байршлын координатыг нэгэн зэрэг нарийн зааж өгөх боломжгүй тул тодорхой тойрог замд электронуудын хөдөлгөөний тухай санаа буруу болсон. утга учиртүүний импульс (1927 онд В. Гейзенберг нэвтрүүлсэн тодорхойгүй байдлын хамаарал). Бид зөвхөн электрон нягтын тархалт эсвэл электроныг олох магадлалын тухай л ярьж болно одоогоортүүний долгионы функцээр тодорхойлогддог орон зайн өгөгдсөн цэг дэх цаг хугацаа.
1925 онд шинэ физик хэмжээ- электрон эргэлт - өөрийн механик момент бөгөөд энэ нь өөртэйгөө холбоотой байдаг соронзон моментэлектрон. Бусад атомын бөөмс болон атом бүхэлдээ ээрэх чадвартай болох нь тогтоогдсон. Спинийг харгалзан үзэх нь цахилгаан ба соронзон орон дахь атомын энергийн түвшин ба спектрийн шугамын хуваагдлыг тайлбарлах (Земан эффект ба Старк эффект), янз бүрийн химийн элементийн атом дахь электронуудын байршлын дарааллыг ойлгох боломжтой болсон (Паули-г үзнэ үү). зарчим, Ажил мэргэжлийн тоо).
Квант механикковалент химийн холбоо үүсэх (1927, В.Хейтлер, Ф.Лондон), талст дахь атомуудын холболт, тэдгээрт талст доторх талбайн нөлөө (1929, Х. Бете), атом хоорондын харилцан үйлчлэл гэх мэтийг тайлбарлав.
1930-аад онд атомын цөмд нэвтэрч буй бөөмсийн хооронд цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэл үйлчилдэг нь тодорхой болсон. шинэ төрөлхарилцан үйлчлэл - хүчтэй харилцан үйлчлэл. Атомын цөмийн физик нь бие даасан салбар болох цөмийн физик болжээ. 1940-50-аад онд бөөмийн физик, плазмын физик үүссэн. Орчин үеийн атомын физик нь атомын спектрийг оптик, рентген болон радио мужид судлах онол, туршилтын аргуудыг агуулдаг. Энэ нь атомын хөдөлгөөнгүй төлөвийн энерги, өнцгийн импульс болон бусад шинж чанаруудын нарийн утгыг олж авах, тэдгээрийн өдөөх, мөргөлдөх механизмыг судлах боломжийг олгодог. дотоод үйл явц. Энэ өгөгдөл үүсгэхэд шаардлагатай янз бүрийн төрөлЛазерууд нь плазмын физик, астрофизик, сансар судлалын асуудлыг шийдвэрлэх, бодисын цахилгаан, соронзон болон бусад шинж чанарыг судлахад зориулагдсан. Спектрийн шугамын тэлэлт, шилжилт нь эдгээр өөрчлөлтийг үүсгэсэн конденсацлагдсан бодисын орон нутгийн талбарыг шүүж, орчны температур, нягтрал, хэмжилт хийх боломжтой болгодог. өндөр даралтгэх мэт. Жишээлбэл, рентген бүтцийн шинжилгээний аргаар тодорхойлогддог конденсацлагдсан бодис дахь электрон нягтын тархалт нь атом хоорондын бондын мөн чанарыг тодорхойлох боломжийг олгодог.
Тодорхойлохын тулд тодорхой утгуудатомын шинж чанар нь атомд үзүүлэх нөлөөллийг арилгах шаардлагатай орчинатомын хөдөлгөөн нь спектрийг гажуудуулдаг (жишээлбэл, спектрийн шугамын Доплер тэлэх шалтгаан болдог) тул үүнийг "зогсоох". "Хүйтэн" (зогсоосон) атомуудыг судлах аргуудыг боловсруулах нь олж авах боломжтой болгодог атомын спектрбайгалийнхтай ойролцоо спектрийн шугамын өргөнтэй. Чухал амжилтШинжлэх ухаан нь сканнердах туннелийн микроскоп болон атомын хүчний микроскоп ашиглан бие даасан атомуудын бодит зургийг олж авсан.
Атом нийтлэлийн доорх ном зохиолыг үзнэ үү.
V.I. Балыкин. M. A. Еляшевич.
Атомын физик нь 19-20-р зууны төгсгөлд хийн оптик спектрийн судалгаа, электрон болон цацраг идэвхт бодисын нээлтийн үндсэн дээр үүссэн. Хөгжлийн эхний үе шатанд (20-р зууны эхний улирал) атомын физик нь атомын бүтцийг тодорхойлох, түүний шинж чанарыг судлахад голлон анхаарч байв. Э.Рутерфордын альфа тоосонцорыг нимгэн металл тугалган цаасаар тараах туршилтууд (1908-1911) атомын гаригийн загварыг бүтээхэд хүргэсэн; Энэ загварыг ашиглан Н.Бор (1913), А.Зоммерфельд (1915) атомын анхны тоон онолыг боловсруулсан (Атомыг үзнэ үү). Электрон ба атомын шинж чанарын талаархи дараагийн судалгаанууд 20-иод оны дундуур бүтээгдсэнээр өндөрлөв. квант механик - бичил ертөнцийн хуулиудыг тодорхойлсон физик онол бөгөөд бичил бөөмс оролцож буй үзэгдлийг тоон байдлаар авч үзэх боломжийг олгодог (Квантын механикийг үзнэ үү).
Квант механик бол атомын физикийн онолын үндэс юм. Үүний зэрэгцээ атомын физик нь квант механикийн нэгэн төрлийн "туршилтын талбай" үүрэг гүйцэтгэдэг. Бидний өдөр тутмын туршлагаас үл нийцэх квант механикийн үзэл баримтлал, дүгнэлтийг атомын физикт туршилтаар туршиж байна. Гайхалтай жишээФранк-Герц (1913), Стерн-Герлах (1922) нарын алдартай туршилтууд жишээ болгож болно; Тэдгээрийг доороос илүү дэлгэрэнгүй авч үзье.
20-р зууны эхэн үе гэхэд. Атомын оптик спектр дээр баялаг материал хуримтлагдсан. Энэ нь бүгд тогтоогдсон химийн элементнь өөрийн шугамын спектртэй тохирч, спектрийн шугамуудын тогтмол, эмх цэгцтэй зохицуулалтаар тодорхойлогддог. Квант механик нь спектр дэх ажиглагдсан хэв маягийг системтэй холбодог эрчим хүчний түвшинэнэ атомын. 1913 онд Германы физикч Ж.Франк, Г.Герц нар атомын дотоод энерги нь квантчлагдсан байдаг тул зөвхөн салангид, өөрөөр хэлбэл тодорхой хэсгүүдэд өөрчлөгдөж болохыг туршилтаар шууд баталгаажуулсан туршилт хийсэн. Тэд мөнгөн усны атомыг өдөөхөд зарцуулсан чөлөөт электронуудын энергийг хэмжсэн. Суурилуулалтын гол элемент нь катод, анод, тор (орчин үеийн вакуум триодын прототип) гэсэн гурван гагнасан электрод бүхий нүүлгэн шилжүүлсэн шилэн цилиндр юм. Цилиндр нь 1 ммМУБ даралтын дор мөнгөн усны уур агуулсан байв. Урлаг. Катодыг орхисон электронууд нь катод ба сүлжээний хоорондох талбарт хурдассан (хурдасгах хүчдэл U) ба дараа нь сүлжээ ба анодын хоорондох талбарт удааширсан (тоормосны хүчдэл U 1). Катодоос анод руу явах замд электронууд мөнгөн усны атомуудтай мөргөлдсөн. U 1 хүчдэлийг U-аас хамаагүй бага байхаар сонгосон тул мөнгөн усны атомуудтай уян хатан бус мөргөлдөөний үр дүнд зөвхөн хангалттай удаан электронууд анодоос хөөгдсөн. Туршилтанд анодын гүйдлийн хүчийг хурдасгах хүчдэлээс хамаарч хэмжсэн U. Туршилтын муруй нь бие биенээсээ 4.9 В зайтай хэд хэдэн тодорхой максимумтай байна. У-д< 4,9 В столкновения электронов с атомами ртути являются упругими (возбуждение атомов не происходит), поэтому сила тока плавно нарастает с увеличением U. По достижении значения U = 4,9 В начинаются неупругие столкновения, связанные с возбуждением атомов ртути; в результате сила тока резко падает. При дальнейшем повышении U ток снова нарастает до тех пор, пока напряжение не достигнет 9,8 В, когда электрон оказывается в состоянии возбудить два атома. При достижении 14,7 В электроны способны испытать три неупругих столкновения с атомами ртути и т. д. При напряжении 4,9 В электрон приобретает энергию 4,9 эВ. Таким образом вид кривой 1(10 показывает, что для возбуждения атома ртути необходима энергия, равная 4,9 эВ. Это и есть, очевидно, та самая порция энергии, которой атом ртути обменивается с электроном.
Энэ төрлийн туршилтыг илүү болгоомжтой хийснээр атомын энергийн дараах түвшний өдөөлтийг илрүүлэх боломжтой болсон: мөнгөн усны хувьд энэ нь 6.7; 8.3 эВ гэх мэт (10.4 эВ нь иончлолын боломж). Хийн гялбааны ажиглалт нь мөнгөн усны атомын бүрэн спектрийн дүр төрхийг харуулж байна.
Атомын цөмийг тойрон хөдөлж буй электроныг энгийн зүйлтэй зүйрлэж болно цахилгаан гүйдэл; энэ нь соронзон орон үүсгэдэг. Соронзон орон өөр өөр электронууд, нэмбэл атомын соронзон орон үүсдэг. Үүнийг тодорхойлохын тулд бид танилцуулж байна вектор хэмжигдэхүүн, соронзон момент гэж нэрлэдэг. Хэрэв электронууд нэг буюу өөр бүрхүүлийг (1s, 2s, 2p гэх мэт) бүрэн дүүргэх юм бол тэдгээрийн соронзон орон нь бие биенээ үгүйсгэдэг; харгалзах атомуудын соронзон момент тэг байна.
1922 онд Германд О.Штерн, В.Герлах нар атомын соронзон момент орон зайн квантчлагдсан болохыг харуулсан туршилт хийжээ. Тэд соронзон момент бүхий атомын цацрагийг жигд бус соронзон орны дундуур илгээж, энэ талбайн нөлөөгөөр атомуудын хазайлтыг судалжээ. Хазайлын зэрэг ба шинж чанар нь талбайн чиглэлтэй харьцуулахад атомын соронзон моментийн чиглэлээс хамаарна. Хэрэв цацраг нь соронзон моментуудын бүх боломжит чиглэлтэй атомуудыг агуулж байвал анхны цацрагийн тасралтгүй өнцгийн "бүдгэрэлт" ажиглагдах болно. Туршилтаар атомын туяа хэд хэдэн цацрагт тодорхой хуваагдсан нь ажиглагдсан; Энэ нь атомын соронзон момент орон зайн квантлагдсан гэсэн үг юм - түүний соронзон орны чиглэл рүү проекц нь зөвхөн тодорхой тодорхой (дискрет) утгатай байж болно.
Нэг жигд бус соронзон орон дахь натрийн атомын хазайлтын тархалт руу (1930 онд авсан) хандъя. Энэ хуваарилалт нь хоёр тодорхой максимумтай. Натрийн атом нь гурван дүүргэсэн бүрхүүл (1s, 2s, 2p) ба нэг 3s электронтой. S-электронуудын электрон үүл нь бөмбөрцөг хэлбэртэй тэгш хэмтэй байдаг (Атомыг үзнэ үү), тиймээс тэдний цөмийн талбар дахь хөдөлгөөн нь соронзон момент үүсэхэд хүргэдэггүй. Натрийн атомын цацрагийг хоёр бүрэлдэхүүн хэсэг болгон хуваахыг тайлбарлахын тулд электрон нь цөмийн эргэн тойрон дахь электрон хөдөлгөөнтэй холбоогүй өөрийн гэсэн соронзон моменттэй гэж үзэх шаардлагатай. Энэхүү соронзон момент нь электроныг өөрийн тэнхлэгийн эргэн тойронд эргүүлэхтэй холбоотой бөгөөд үүнийг эргүүлэх момент гэж нэрлэдэг (Spin-ийг үзнэ үү). Цөмийн эргэн тойрон дахь хөдөлгөөнтэй холбоотой электроны соронзон моментийг тойрог замын момент гэж нэрлэдэг. Тиймээс, натрийн атомын хувьд дүүргэсэн бүрхүүлийн электронуудын тойрог ба эргэх момент хоёулаа харилцан нөхөгддөг; 3s электроны тойрог замын момент тэгтэй тэнцүү, мөн энэ электроны эргэлтийн момент нь жигд бус соронзон орон дахь натрийн атомын цацрагийг задлахад хүргэдэг. Хоёр цацрагт хуваагдах нь электроны эргэлтийн момент нь соронзон орны чиглэл рүү хоёр проекцтэй байна гэсэн үг юм.
30-аад онд бидний зуун эхэллээ шинэ үе шататомын физикийн хөгжилд. Эдгээр жилүүдэд атомын цөм доторх процессуудыг хариуцдаг харилцан үйлчлэлийн мөн чанар нь атомын электрон бүрхүүлд тохиолддог процессуудыг тодорхойлдог харилцан үйлчлэлийнхтэй харьцуулахад цөмийн тогтвортой байдал эсвэл цацраг идэвхт байдлыг тайлбарлах нь огт өөр болох нь тодорхой болсон (харна уу). Байгалийн хүчний нэгдэл). Үүнтэй холбоотойгоор атомын физикээс тусдаа салбар бий болсон. шинжлэх ухааны чиглэлатомын цөмийн физикийн судалгаатай холбоотой; 40-өөд онд энэ чиглэл бие даасан болсон физикийн шинжлэх ухаан- цөмийн физик. Эцэст нь 50-аад онд. -аас цөмийн физиканхан шатны бөөмсийн систем ба харилцан хувиргалтыг судлахтай холбоотой чиглэл гарч ирэв - энгийн бөөмсийн физик.
Эцсийн эцэст энэ нь бүрэн илчлэгдсэн тодорхой тойрогорчин үеийн атомын физикийн агуулгыг бүрдүүлдэг асуултууд. Тэрээр атомын цөмд болж буй үйл явц, түүнчлэн энгийн бөөмсийн харилцан хувиргалтыг сонирхдоггүй. Атомын физик нь атом эсвэл ионтой холбоотой процессуудыг судалдаг бөгөөд зөвхөн атомын цөмд ямар нэгэн өөрчлөлт гарахгүй процессуудыг судалдаг. Тиймээс, бид ярьж байназөвхөн атомын электрон бүрхүүлд нөлөөлдөг процессуудын тухай. Үүнтэй төстэй
үйл явц нь: гадаад цахилгаан эсвэл соронзон орны нөлөөн дор атом дахь электронуудын төлөвийн өөрчлөлт (жишээлбэл, гадаад талбайн нөлөөн дор атомын энергийн түвшин хуваагддаг); атомын шингээлт ба ялгаруулалт цахилгаан соронзон цацраг(Спектроскопи-г үзнэ үү. Рентген туяа, Фотоэффект, Лазер); атомуудын чөлөөт электрон, түүнчлэн бусад атом, ион, молекулуудтай мөргөлдөх (электрон эсвэл бусад бичил биетүүдтэй мөргөлдсөний үр дүнд атомууд өдөөгдөж, өдөөгдсөн төлөвөөс бага өдөөгдсөн төлөвт шилжиж, хувирч болно. ионууд, үзнэ үү Цахилгаан гүйдэлхий); янз бүрийн атомын электрон бүрхүүлүүдийн хоорондын харилцан үйлчлэл нь молекул, талст үүсэхэд хүргэдэг. Эдгээр бүх процессууд үүсдэг цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэл. Эдгээр процессын магадлалыг квант механикийн аппарат ашиглан тооцдог.
Орчин үеийн атомын физик нь мөн мезоатом гэж нэрлэгддэг тусгай төрлийн атомуудыг судалдаг. Мезоатом нь электронуудын аль нэгийг мюон (μ-), антимезон (π-, K-), антипротон эсвэл сөрөг цэнэгтэй гипероноор сольсны үр дүнд жирийн атомаас үүсдэг (Хадрон, Лептонуудыг үзнэ үү). Мөн хэвийн бус "устөрөгч" атомууд байдаг - позитроний, муониум ба протоны үүргийг позитрон эсвэл эерэг цэнэгтэй антимуонууд (μ+) гүйцэтгэдэг. Эдгээр бүх атомууд тогтворгүй байдаг; Тэдний амьдрах хугацаа нь дээрх бөөмсийн амьдрах хугацаа эсвэл e+ e- болон pp- устгах үйл явцаар хязгаарлагддаг. Месоатомууд нь бөөмийн удаашралын явцад үүсдэг - атомын цөмийн Кулоны талбарт сөрөг цэнэгтэй бөөмсийг барьж авсны үр дүнд эсвэл атомын электроныг позитрон ба антимуоноор барьж авсны үр дүнд үүсдэг. Төрөл бүрийн хэвийн бус атомуудтай хийсэн туршилтууд нь бодисын шинж чанарыг судлах, цөм, элементар бөөмсийг судлахад ихээхэн сонирхолтой байдаг.
